ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2007, № 3, с. 3-8
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА
УДК 551.510.534
АНАЛИЗ ИЗМЕРЕНИЙ АЭРОЗОЛЬНОГО ОСЛАБЛЕНИЯ СПУТНИКОВЫМИ ПРИБОРАМИ HALOE И SAGE III
© 2007 г. Я. А. Виролайнен*, А. В. Поляков, Ю. М. Тимофеев
Научно-исследовательский институт физики Санкт-Петербургского государственного университета *Тел.: (812) 428-43-47, e-mail: Yana.Virolainen@JV14952.spb.edu Поступила в редакцию 04.10.2006 г.
Проанализированы данные измерений спектрального коэффициента аэрозольного ослабления (КАО) спутниковыми приборами HALOE и SAGE III за 2002-2003 гг. Отобраны два ансамбля из 160 измерений профилей КАО (на высотах 16-24 км) для случаев пространственного (в пределах 500 км) и временного (в пределах 12 ч) совпадения измерений двух приборов, проанализированы статистические характеристики отобранных ансамблей. На основе созданной статистической модели фонового стратосферного аэрозоля проведена оптимальная экстраполяция измерений КАО из каналов одного прибора в каналы другого методом множественной линейной регрессии. Показано, что для большинства каналов погрешность экстраполяции вследствие малой изменчивости стратосферного аэрозоля практически сопоставима с изменчивостью экстраполируемых параметров. Приведены примеры сравнения двух ансамблей измерений КАО в спектральных каналах 0.450 и 0.520 мкм. Показано, что лучшее согласование ансамблей наблюдается для высот 20-24 км, худшее -для высот 16-18 км. Полученные результаты для фонового стратосферного аэрозоля указывают на трудности создания единой климатологии спектральных КАО по измерениям двух приборов.
ВВЕДЕНИЕ
Стратосферный аэрозоль оказывает влияние на такие важные процессы в атмосфере, как перенос солнечного и теплового излучения, облако-образование, фотохимия озона [1, 2]. На поверхности аэрозольных частиц происходят гетерогенные химические реакции, которые, в частности, ведут к высвобождению хлора из различных соединений, который в свою очередь участвует в разрушении озона [1, 2]. Для фоновой аэрозольной стратосферы радиационные эффекты аэрозоля малы, но такой аэрозоль по-прежнему играет определенную роль в балансе некоторых МГС, в частности NOx и O3. Исследования фонового стратосферного аэрозоля важны также в плане исследований антропогенного влияния на стратосферу [1]. Указанные обстоятельства, а также периодические мощные вулканические извержения, возмущающие не только стратосферу, но и влияющие на термический режим тропосферы, стимулировали исследования характеристик стратосферного аэрозоля спутниковым затменным методом в последние тридцать лет [4-7]. В этих исследованиях использовалась различная спектральная аппаратура, функционировавшая в ультрафиолетовой (УФ), видимой и инфракрасной (ИК) областях спектра (SAM II, SAGE I, II, III, Озон-Мир, ILAS, ATMOS, HALOE и т.д.).
Для объективной оценки качества спутниковой информации (валидации), а также создания объединенных климатологических баз данных по аэрозольным характеристикам стратосферного
аэрозоля (см., например, [3]) эпизодически проводились сравнения спутниковых измерений с различными независимыми измерениями оптических и микрофизических характеристик стратосферного аэрозоля. Основными источниками для валидации и сравнений спутниковых измерений характеристик стратосферного аэрозоля являлись [5, 8-11]:
1) локальные измерения микроструктуры аэрозоля с помощью приборов, использующие различные принципы измерений (на самолетах и аэростатах);
2) наземные и самолетные лидарные измерения;
3) измерения рассеянного солнечного излучения и его поляризации;
4) спутниковые измерения, осуществляемые различными приборами в различных областях спектра и, иногда, различными дистанционными методами.
По сравнению с валидацией таких атмосферных параметров, как температура и характеристики газового состава, валидация спутниковых измерений аэрозольных параметров представляет значительные трудности. Это обусловлено, во-первых, тем, что независимых измерений характеристик аэрозолей относительно мало. Исключение составляют регулярные измерения с помощью аэрозолезон-дов в Wyoming [12], которые, однако, локально ограничены. Во-вторых, метод прозрачности позволяет получить объемные коэффициенты аэро-
90
60 120 180 240 300 360
90
60 30 0
-30 -60
-90
60 120 180 240 Долгота, град
300 360
-90
Рис. 1. Пространственное распределение измерений КАО приборами HALOE и SAGE III в исследуемом ансамбле из 160 реализаций.
зольного ослабления (КАО) для ряда длин волн, а большинство других независимых измерений дают другие характеристики аэрозолей. Например, относительно многочисленные лидарные измерения дают коэффициент аэрозольного рассеяния назад, спутниковые измерения часто имеют разные спектральные области измерения. Все это приводит к тому, что для сравнений необходимо проводить специальный пересчет одних аэрозольных характеристик в другие, что связано со значительным количеством различных допущений и, следовательно, с дополнительными неопределенностями, кроме самих погрешностей измерений.
В настоящее работе рассмотрены возможности сравнений различных спутниковых измерений на основе статистических моделей стратосферного аэрозоля, развитых в работе авторов [14, 15]. Проведены сопоставления двух независимых спутниковых измерений КАО приборами SAGE Ill и HALOE для оценки их согласованности, возможности создания единых климатологических баз данных, а также использования совместных измерений КАО в различных областях спектра для получения информации о микрофизических параметрах стратосферного аэрозоля [13].
АНСАМБЛИ ИЗМЕРЕНИЙ КАО
В настоящей работе анализируются два ансамбля измерений спектральных КАО приборами SAGE III и HALOE. Прибор HALOE [5], находящийся на борту спутника UARS, с октября 1991 г. проводит измерения прозрачности атмосферы в ИК-диапазоне спектра. Спектральные измерения в четырех каналах - 2.45, 3.40, 3.46 и 5.26 мкм -используются для определения КАО. Прибор SAGE III [7], функционировавший на российском спутнике Метеор-3М с февраля 2002 г. до лета
2006 г., используя аналогичную геометрию измерений, позволяет определять КАО в девяти каналах видимой и ближней ИК-области: 0.385, 0.450, 0.520, 0.600, 0.675, 0.755, 0.870, 1.020 и 1.545 мкм. Отметим также, что в работе [7] рекомендуется с осторожностью использовать данные по КАО этого прибора, полученные в каналах 0.600, 0.755 мкм, а также для высот, больших 24 км, в канале 0.870 мкм.
Для ансамбля HALOE были взяты данные версии V19 (с сайта http://haloedata.larc.nasa.gov), для ансамбля SAGE III - данные второго уровня версии 3 (предоставлены NASA Langley Research Center Atmospheric Sciences Data Center). Из всех имеющихся в нашем распоряжении данных для сравнения были отобраны ансамбли, состоящие из 160 вертикальных профилей измерений спектральных КАО приборами SAGE III и HALOE. Отбор проводился для случаев пространственного и временного совпадения измерений. Совпадающими считались измерения, согласованные в пределах 500 км по широте и долготе, а также в пределах 12 ч по времени. На рис. 1 представлена пространственная изменчивость сравниваемых ансамблей измерения КАО приборами HALOE и SAGE III. Из рис. 1 видно, что по широте измерения сконцентрированы вдоль 65°-70° с.ш. и в поясе 30°-55° ю.ш. Отметим, что по времени анализируемые измерения КАО относятся к августу-октябрю 2002 г. и к февралю 2003 г.
Из приведенных данных видно, что рассматриваемая выборка достаточно узкая как в пространственном, так и во временном измерении, однако следует отметить, что мы имеем дело с фоновым аэрозолем, поэтому выборка в целом отражает изменчивость фонового аэрозоля в стратосфере. В таблице (третий и четвертый столбцы) приведены соответственно средние значения и СКО КАО, измеренные в каналах приборов HALOE и SAGE III. Из таблицы видно, что относительные естественные вариации КАО в рассматриваемом ансамбле составляют в зависимости от канала 30-60%.
МЕТОДИКА СОПОСТАВЛЕНИЯ
Измерения КАО приборами SAGE III и HALOE выполняются в различных областях спектра, поэтому непосредственное их сравнение невозможно. Для того чтобы сделать возможным сопоставление данных двух приборов, мы использовали метод множественной линейной регрессии (МЛР), позволяющий экстраполировать результаты измерений одним из приборов в спектральную область измерений другого. Используя крос-сковариационную (для двух наборов каналов) матрицу КАО, можно получить оценку для КАО в каналах одного прибора из измерений КАО в
0
0
АНАЛИЗ ИЗМЕРЕНИЙ АЭРОЗОЛЬНОГО ОСЛАБЛЕНИЯ
5
Осредненные по всем реализациям (160 профилей) и высотам (16-24 км) средние значения КАО, их СКО и погрешности измерения и экстраполяции (в 104 км-1) для каналов приборов SAGE III и HALOE
Прибор Канал, мкм Среднее измеренное СКО измеренное Погрешность измерения Среднее экстраполированное Погрешность экстраполяции
SAGE III 0.385 4.14 1.75 0.58 3.77 1.34
0.450 3.75 1.59 0.20 3.21 1.10
0.520 2.79 1.29 0.31 2.72 1.03
0.600 1.93 1.06 0.77 2.26 1.39
0.675 1.54 0.80 0.23 1.92 0.85
0.755 1.34 0.66 0.09 1.63 0.70
0.870 0.85 0.47 0.08 1.30 0.62
1.020 0.56 0.31 0.08 0.98 0.49
1.545 0.16 0.10 0.08 0.42 0.26
HALOE 2.45 0.15 0.06 0.03 0.05 0.03
3.40 0.36 0.14 0.04 0.40 0.12
3.46 0.32 0.14 0.04 0.40 0.13
5.26 0.30 0.09 0.04 0.21 0.08
каналах другого прибора по известной формуле МЛР (1)
x = x а + R ( y - y a ), где R = D D
-1
xy yy'
(1)
где х - вектор искомых значений КАО; у - вектор измеренных значений КАО; Я - решающий оператор, В - соответствующие клетки единой крос-сковариационной матрицы КАО во всех спектральных каналах. Индекс "а" относится к среднему по всему ансамблю значению.
Для расчета погрешности определения КАО с помощью рассматриваемой экстраполяции мы использовали матрицу ошибок регрессионного метода (2)
D = RDyyRT - RDyx - DxyRT + Dxx,
(2)
где Т - знак транспонирования матрицы.
Спектральная кроссковариационная матрица В была нами рассчитана для статистического ансамбля фонового стратосферного аэрозоля, особенности построения которого и статистические характеристики как мик
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.